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玻纤滤材表面化学改性及其在油水分离中的应用

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玻纤滤材表面化学改性及其在油水分离中的应用

作者：谢子杰华南理工大学

学位级别：硕士

随着柴油低硫化的发展,为保证柴油的品质及应用要求,柴油中需添加各种添加剂,其中的表面活性剂组分不仅会吸附于油水界面,使界面张力降低和乳化水粒径变小,还容易吸附到油水分离滤材表面,导致滤材的润湿性能改变,从而给乳化水的聚结-分... 详细信息

随着柴油低硫化的发展,为保证柴油的品质及应用要求,柴油中需添加各种添加剂,其中的表面活性剂组分不仅会吸附于油水界面,使界面张力降低和乳化水粒径变小,还容易吸附到油水分离滤材表面,导致滤材的润湿性能改变,从而给乳化水的聚结-分离带来负面影响。目前,玻纤过滤材料广泛应用于柴油中乳化水的聚结-分离,其表面性质是影响油水分离效率的关键因素之一。因此,本文通过选择和制备不同化学结构的改性剂,以获得不同表面化学性质和润湿性能的改性玻纤滤材,并研究其在低界面张力油水乳液中的初期和长效油水分离性能。论文的主要研究内容如下:(1)选择不同性质的硅烷偶联剂对玻纤滤材进行表面化学改性。首先,以硅烷偶联剂KH570为代表,研究了反应浓度、反应时间、反应温度和溶液p H值等条件对滤材表面接枝改性结果及其润湿性能的影响。然后以此为基础,通过改变硅烷偶联剂种类和利用两种不同性质的硅烷偶联剂同时改性玻纤滤材,获得了更多不同润湿性能和表面化学组成的改性玻纤滤材。最后,通过红外光谱、扫描电镜和孔径测试,对改性滤材表面的化学官能团和微孔结构进行了表征和分析。(2)以TDI、PEG和TEOH为原料,通过缩聚反应制备目标结构为“TDI-PEG-TDITEOH”的亲-疏水链段低聚物,对合成过程中的反应温度、反应时间、原料配比和加料方式等条件进行优化后,制备得到目标结构的预期产物,并通过傅里叶变换红外光谱、核磁氢谱、核磁碳谱和凝胶渗透色谱等方法对产物的化学组成和结构进行了确认。利用低聚物末端的-NCO基团与玻纤滤材表面的羟基进行缩合实现接枝改性,从而获得了一系列表面具有不同性质的低聚物改性玻纤滤材,并研究了其对滤材表面润湿性的影响。最后,通过SEM测试和滤材孔径及分布表征,证明了接枝改性对滤材的微孔结构和过滤性能无明显影响。(3)通过研究乳化剂含量和剪切速率对乳化水粒径及稳定性的影响,在油水界面张力为5.49 m N/m,7k rpm转速的处理条件下,可获得平均粒径为17.3μm且在测试时间内稳定的油水乳液。对一系列改性玻纤滤材的初期和长效油水分离性能进行研究,结果表明:亲水性玻纤滤材虽在初期内获得了较高的油水分离效率,但其长效分离性能不佳;具有疏水和疏油特性的改性玻纤滤材对乳化水有持久高效的拦截-分离作用;表面同时有亲水-疏水不同性质硅烷的改性滤材对乳化水的聚结-分离有促进作用。“TDI-PEGTDI-TEOH”亲-疏水链段低聚物通过对稳定乳化水的破乳和聚结作用,使接枝改性滤材具有更高的油水分离性能,这为构建适用于低界面张力油水乳液的高效分离材料提供了一种新思路。

关键词：玻纤滤材化学改性油水分离破乳聚结

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玻纤滤材结构特性和过滤性能的模拟研究

玻纤滤材结构特性和过滤性能的模拟研究

作者：陆丽莉华南理工大学

学位级别：硕士

传统的玻纤滤材性能研究主要是基于实验方法,这种研究方法不仅成本高、周期长且受限于原材料的种类。近年来计算机模拟方法受到越来越多学者的关注,但大多数研究中的滤材模型并没有以实际的纤维滤材为基础,对纤维模型有太多的简化,模拟... 详细信息

传统的玻纤滤材性能研究主要是基于实验方法,这种研究方法不仅成本高、周期长且受限于原材料的种类。近年来计算机模拟方法受到越来越多学者的关注,但大多数研究中的滤材模型并没有以实际的纤维滤材为基础,对纤维模型有太多的简化,模拟结果并不能真实反映出实际滤材的过滤性能。为了解决上述问题,本文以实际的玻璃纤维及玻纤滤材为基础,开展了玻纤滤材性能的数值模拟研究工作,对亚微米级玻璃纤维的直径表征、玻纤滤材的模型建立以及性能的模拟研究等问题提出更具体且行之有效的解决方案,对高性能玻纤滤材的研制具有实际指导意义。本文首先探究了滤材结构模型和计算性能的数学模型在玻纤滤材性能探究中的适用性,然后基于确定的纤维参数和数学模型探究了H12等级(过滤效率在99.5%～99.95%之间)高效玻纤滤材的结构设计,具体内容和主要结论如下:1、通过实验方法获取了玻璃纤维和玻纤滤材的参数作为建立滤材结构模型的基础。玻璃纤维的参数包括纤维直径、取向和密度;根据直径表征结果,选取了纤维平均直径为1.55μm、0.68μm和0.24μm的玻璃纤维分别抄造单一组分的玻纤滤材进行参数表征,玻纤滤材的参数包括结构参数(厚度、定量)和性能参数(孔径、透气度、过滤阻力和过滤效率)。2、探究了滤材结构模型和计算性能的数学模型在玻纤滤材性能模拟研究中的适用性,验证了建立玻纤滤材结构模型预测其过滤性能的有效性。结构模型中的纤维平均直径大小与对应滤材中的纤维较吻合,误差都在15%以内。结构模型的平均孔径与实验测量结果较接近;透气度随压降变化的模拟结果与实验测量结果趋势吻合性较好;过滤阻力和过滤效率模拟结果比经验模型计算结果与实验测量结果更吻合。3、基于确定的玻璃纤维模型和计算性能的数学模型,探究了H12等级高效玻纤滤材的配方设计,同时开展实验验证数值计算方法在高效玻纤滤材结构设计和性能改善研究中的有效性。结果表明,模拟结果和实验测量结果变化趋势一致,两种方法得出的较优品质因子材料为同一配方。4、为拓展新材料结构设计的可能性,设计了纤维直径逐渐变大的玻璃纤维进行性能探究,模拟结果表明,0#玻璃纤维(6.22μm)和6#玻璃纤维(0.24μm)与平均直径为2.50μm的玻璃纤维进行搭配生成的滤材模型品质因子最大,为0.0341 Pa。这一结果有利于指导新型玻璃纤维原材料的开发,为高性能过滤材料的研制创造条件。本文以实际玻璃纤维参数及玻纤滤材为基础,证实了随机参数模型和性能计算的数学模型在玻纤滤材性能探究中具有一定的适用性,较真实反映出实际材料的过滤性能;提出了较优品质因子的高效玻纤滤材的纤维配方,对实际应用中的材料结构设计和性能优化具有一定的指导意义。

关键词：空气过滤玻纤滤材过滤效率过滤阻力数值模拟

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气溶胶过滤用玻纤滤材的耐碱性初步研究

核科学与工程 2024年第4期44卷 826-831页

作者：李晓晨陈亚民支冬安陈欣李昕李佳雨陈建利刘经国俞杰梁书玮中国辐射防护研究院中核集团放射性气体净化技术重点实验室山西太原030006 中核核电运行管理有限公司浙江嘉兴314300

钠火事故下产生大量以NaOH为主的钠气溶胶,为研究钠气溶胶对高效过滤器性能的影响,对其使用的玻纤滤材的耐碱性进行了研究。本文测试了过滤钠气溶胶时玻纤滤材的阻力和效率,并采用加速试验,将玻纤滤材浸泡到浓度分别为0.25 mol/L、0.5 m... 详细信息

钠火事故下产生大量以NaOH为主的钠气溶胶,为研究钠气溶胶对高效过滤器性能的影响,对其使用的玻纤滤材的耐碱性进行了研究。本文测试了过滤钠气溶胶时玻纤滤材的阻力和效率,并采用加速试验,将玻纤滤材浸泡到浓度分别为0.25 mol/L、0.5 mol/L、1 mol/L、2 mol/L、5 mol/L的NaOH溶液中15 min、30 min、1 h、2 h、5 h后,测试其过滤效率、阻力、抗拉伸强度以及表面形貌的变化,以研究玻纤滤材的耐碱性。结果表明:玻纤滤材在过滤钠气溶胶的过程中阻力逐渐增加,过滤效率也有所增加;浸泡低浓度的NaOH对玻纤的阻力变化影响不大,长时间浸泡高浓度的NaOH使阻力增加明显,效率均低于原始玻纤滤材,且浸泡时间越久效率越低,而抗拉伸强度有一定提升,初步表明玻纤滤材对NaOH的耐受程度不高,钠火事故下,大量钠气溶胶若不经过预处理,将使高效过滤器的阻力成倍增加,且效率降低。此项研究的结果将为后续提高玻纤滤材耐碱性,保障钠冷快堆在事故工况下钠气溶胶的安全排放提供一定的设计依据。

关键词：钠气溶胶玻纤滤材耐碱性

耐高温润滑油玻纤滤材用增强水性环氧树脂的制备及应用

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耐高温润滑油玻纤滤材用增强水性环氧树脂的制备及应用

作者：刘超华南理工大学

学位级别：硕士

玻纤滤材是润滑油滤芯的核心部件,决定了滤芯的过滤性能,一般是由玻纤原纸经过增强树脂处理后制备而得。由于玻纤滤材的耐弯折性能差,容易在打褶加工过程中发生破损;并且在特殊环境中,润滑油滤芯所处介质温度可高达220℃,导致滤材的增... 详细信息

玻纤滤材是润滑油滤芯的核心部件,决定了滤芯的过滤性能,一般是由玻纤原纸经过增强树脂处理后制备而得。由于玻纤滤材的耐弯折性能差,容易在打褶加工过程中发生破损;并且在特殊环境中,润滑油滤芯所处介质温度可高达220℃,导致滤材的增强树脂老化速度加快,结构受到破坏。因此,润滑油滤芯所用的玻纤滤材必须具有良好的打褶加工性能以及耐高温油液性能才能满足实际应用要求。而国内市面上的润滑油玻纤滤材产品无法同时满足打褶加工和耐220℃高温的要求,其主要原因就是玻纤滤材用增强树脂的性能达不到使用要求。因此,本论文通过设计并合成了增韧型的环氧/聚氨酯乳液和水性环氧固化剂,并应用于玻纤原纸的增强,以制备得到具有优良打褶加工性能以及耐高温油液性能的玻纤滤材。论文主要研究内容如下:(1)设计并制备具有自乳化性能的增韧型环氧/聚氨酯乳液。首先,以TDI、PEG和DMPA为原料制备得到?NCO基团封端的含羧基聚氨酯预聚体,然后通过环氧树脂的?OH基团与?NCO基团反应制备得到环氧/聚氨酯复合树脂体系,最后加入TEA进行中和,并通过相反转的方式形成环氧/聚氨酯乳液。实验结果表明:对于含羧基聚氨酯预聚体的制备,其最佳反应条件为:在反应温度75℃时,初聚反应3.0 h、扩链反应1.5 h,稀释剂(NMP)与TDI质量比为2:1,异氰酸根指数(R值)为3.75,PEG分子量为2000,DMPA用量为4.0wt%;环氧/聚氨酯复合树脂体系的最佳反应条件为:85℃反应6 h,OH/NCO值=1.4;然后在中和度为130%时相反转1 h后可形成稳定性能优异的环氧/聚氨酯乳液。通过红外光谱、超高效聚合物色谱对产物的化学结构和组成进行了确认,并测试了环氧/聚氨酯乳液固化物的漆膜性能、拉伸性能和热性能。(2)制备多胺?环氧?聚醚结构的水性环氧固化剂。首先,在叔胺BDMA催化作用下,以EP和PEG为原料制备得到环氧?聚醚加成物,然后加入TETA和BGE继续反应制备得到多胺?环氧?聚醚加成物,最后加入HAc中和形成水性环氧固化剂。实验结果表明:对于环氧?聚醚加成物的制备,其最佳反应条件为:BDMA用量为1wt%时,在150℃下反应6 h,EP与PEG摩尔比为3.0:1.0;多胺?环氧?聚醚加成物的最佳反应条件为:在反应温度70℃时,胺化反应4 h、封端反应3 h,伯胺基与环氧基的摩尔比为2.1:1.0,封端率为100%;固化剂的中和度达到25%时具有优良水分散性。采用红外光谱对产物的化学结构进行了确认,通过固化后漆膜性能和拉伸性能探究了水性环氧固化剂对环氧/聚氨酯乳液固化物的当量比和胺类型的影响,并优化了固化剂合成过程中的最佳物料配比和固化温度,按照环氧当量与活泼氢当量比为1.1:1将环氧/聚氨酯乳液和水性环氧固化剂进行复配,并在150℃温度下进行固化。(3)耐高温润滑油玻纤滤材的制备及其应用性能验证。将商品环氧树脂体系与自制的水性环氧树脂体系应用于玻纤原纸的增强,并对增强后滤材的全面性能对比研究;最后将优化的增强树脂体系所制备的玻纤滤材制成润滑油滤芯,通过多次通过性能测试对其应用性能进行验证。实验结果表明:商品环氧树脂体系无法满足滤材的打褶加工要求,而自制的韧性水性环氧树脂体系经过配方优化后,滤材具有优良的打褶性能与耐高温油液性能。增强处理后滤材的抗张强度及抗张强度保持率分别为1397 N/m和60.77%(远高于商品样的22.50%),未打褶的滤材泡油后抗张强度保持率为84.47%,打褶的滤材泡油后保持率为62.07%。滤材加工得到的滤芯过滤精度为6μm,在高温润滑油介质中浸泡后仍能够保持结构稳定,可以满足使用要求。

关键词：玻纤滤材耐高温增韧水性化环氧树脂

一种高剥离强度和透气性的玻纤/纺粘无纺布复合滤材的制备工艺与性能

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复合材料学报 2022年第5期39卷 2398-2404页

作者：熊晨张久政王洪东华大学纺织面料技术教育部重点实验室上海201620 中国船舶重工集团公司第七〇七研究所九江分部九江332000

玻纤滤材具有过滤精度高和纳污量大等优点,但其耐折和耐压性能较差,需要与非织造布复合以提高其加工性和使用寿命,但传统的上胶复合工艺容易造成玻纤复合滤材透气性下降。将热熔胶树脂颗粒通过熔喷技术以超细纤维形式均匀负载到纺粘布上... 详细信息

玻纤滤材具有过滤精度高和纳污量大等优点,但其耐折和耐压性能较差,需要与非织造布复合以提高其加工性和使用寿命,但传统的上胶复合工艺容易造成玻纤复合滤材透气性下降。将热熔胶树脂颗粒通过熔喷技术以超细纤维形式均匀负载到纺粘布上,进一步利用热轧复合技术与玻纤滤材复合,得到了剥离强力高、透气性基本不变的玻纤/纺粘复合滤材。通过对比复合玻纤滤材的剥离强度和透气性变化,发现超细纤维负载量对复合滤材的性能影响最大,当负载量为8 g/m^(2)时,复合滤材剥离强度即可达到要求,对透气性也不会造成明显影响。综合考虑产品性能与生产实际,建立了最佳复合工艺为上胶量8 g/m^(2)、辊间距0.3 mm、热轧温度120℃、热轧速度15 m/min,在此工艺下玻纤滤材和纺粘布间达到了较好的粘合效果,且复合滤材透气性变化较小。

关键词：熔喷玻纤滤材热熔胶复合透气性

季鏻盐抗菌丙烯酸乳液的合成及其在空气滤材的应用

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季鏻盐抗菌丙烯酸乳液的合成及其在空气滤材的应用

作者：王灵晓华南理工大学

学位级别：硕士

工业的发展使得空气质量逐年下降,给人们的生产和生活带来了巨大影响。空气过滤是保护个体免受侵害的有效手段,不仅拦截了空气中大量的粉尘等颗粒污染物,同时阻碍了随空气传播的细菌和病毒等微生物进入人体。但被拦截在过滤材料上的细... 详细信息

工业的发展使得空气质量逐年下降,给人们的生产和生活带来了巨大影响。空气过滤是保护个体免受侵害的有效手段,不仅拦截了空气中大量的粉尘等颗粒污染物,同时阻碍了随空气传播的细菌和病毒等微生物进入人体。但被拦截在过滤材料上的细菌等微生物在一定条件会滋生增殖,产生二次污染,威胁健康安全。因此,开发具有持久高效抗菌功能的高效空气过滤材料对保护人类健康安全具有重要意义。目前一般通过添加抗菌剂的方法制备抗菌空气过滤材料,但存在抗菌剂易浸出、细菌耐药性、滤材强度差和使用周期短等问题。为解决上述问题,本文通过制备一种具有优良抗菌性能的丙烯酸树脂,并应用于空气过滤纸的增强改性,在提高过滤材料强度和加工性能的同时,赋予滤纸以高效的抗菌性能和抗细菌黏附性能。论文的主要研究内容如下:（1）以卤化醇、三苯基膦和酰氯为原料,制备一系列一端带有活性乙烯基团,一端带有季鏻盐基团的抗菌功能单体,通过红外光谱（FTIR）、核磁共振氢谱（H-NMR）和碳谱(C-NMR)以及高分辨率质谱（HRMS）等方法对季鏻盐单体结构进行表征。然后通过种子乳液聚合的方法合成季鏻盐抗菌丙烯酸乳液。考察了引发剂用量、乳化剂用量及配比、反应温度和反应（保温）时间对乳液聚合过程的影响,研究季鏻盐丙烯酸乳液的涂膜性能、热稳定性和抗菌性能。结果表明,通过优化各影响参数,可以制备得到稳定性良好且具有优良涂膜性能的季鏻盐丙烯酸乳液。季鏻盐单体烷基链长越大,季鏻盐单体抗菌活性较高,当季鏻盐含量为单体总质量的6%（2.70 g）时,所得共聚物乳液涂膜对大肠杆菌（***）和金黄色葡萄球菌（***）的抗菌效率可达到99.99%以上。（2）通过种子半连续乳液聚合法制备以丙烯酸单体共聚物为核,氟单体、季鏻盐单体和丙烯酸单体共聚物为壳的具有核壳结构的含氟、季鏻盐丙烯酸乳液。研究了氟单体、季鏻盐单体用量以及核壳层的单体质量比例对乳液聚合、乳液涂膜性能和抗菌性能的影响。结果表明,当核壳质量比为1:1,氟单体和季鏻盐单体用量分别为壳层单体质量的10%（2.25 g）和9%（2.03 g）时,所得树脂膜具有优异的疏水性和抗菌活性,对***和***的抗菌率均达到99.99%以上。核壳结构使含氟基团和季鏻盐基团在共聚物膜表面富集,充分发挥了接触型杀菌机制和抗黏附型杀菌机制的协同作用,并进一步提高了共聚物涂膜的疏水性和抗菌性能。（3）将制备的含氟、季鏻盐丙烯酸乳液应用于空气滤纸以制备抗菌空气过滤材料。考察了上胶量对改性滤纸微观结构、透气性、强度性能和过滤性能的影响,研究不同氟单体和季鏻盐单体用量的改性滤纸的表面润湿性和抗菌性能,并与市面上的抗菌空气滤材性能进行比较。结果表明,树脂增强后的滤纸强度性能大大增加,并保持良好的透气性和过滤性能,且增强后的滤材具有优异的持久抗菌性能。而具有核壳结构的含氟、季鏻盐丙烯酸乳液可以进一步提升抗菌滤材的全面性能,当树脂上胶量为8 wt%,氟单体用量为壳层单体质量的10%（2.25 g）,季鏻盐单体用量为壳层单体质量的5%（1.13 g）时,处理后的滤材的水接触角达到141°,并具有自清洁性能。所制备的抗菌空气滤纸对***和***的抗菌率均达到99.99%以上,且经过十次抗菌循环测试后,抗菌率仍保持在99%以上,具有高效和持久的抗菌性能,明显优于商品抗菌空气滤纸。

关键词：空气过滤玻纤滤材丙烯酸乳液抗菌季鏻盐